Análise de Precisão da Deformação de Estruturas de Engenharia Giroscópicas por Fibra Óptica
Produto: Sistema de detecção de deformação baseado em giroscópio de fibra óptica
Principais características:
Conclusão:
Este sistema proporciona medições de deformação precisas e confiáveis, oferecendo soluções valiosas para necessidades de engenharia e análise estrutural.
O princípio do método de detecção de deformação de estruturas de engenharia baseado em giroscópio de fibra óptica consiste em fixar o giroscópio de fibra óptica ao dispositivo de detecção, medir a velocidade angular do sistema de detecção enquanto este se desloca sobre a superfície da estrutura em questão, medir a distância de operação do dispositivo de detecção e calcular a trajetória de operação do dispositivo para realizar a detecção da deformação da estrutura. Este método é denominado método da trajetória neste artigo. Ele pode ser descrito como uma “navegação plana bidimensional”, ou seja, a posição do dispositivo é determinada na vertical da superfície da estrutura em questão, e a trajetória do dispositivo ao longo da superfície da estrutura em questão é finalmente obtida.
De acordo com o princípio do método de trajetória, suas principais fontes de erro incluem erro de referência, erro de medição de distância e erro de medição de ângulo. O erro de referência refere-se ao erro de medição do ângulo de inclinação inicial θ0, o erro de medição de distância refere-se ao erro de medição de ΔLi e o erro de medição de ângulo refere-se ao erro de medição de Δθi, sendo este último causado principalmente pelo erro de medição da velocidade angular do giroscópio de fibra óptica. Este artigo não considera a influência do erro de referência e do erro de medição de distância no erro de detecção de deformação, analisando apenas o erro de detecção de deformação causado pelo erro do giroscópio de fibra óptica.
O giroscópio de fibra óptica é um sensor para medir a velocidade angular baseado no efeito Sagnac. Após a luz emitida pela fonte luminosa passar pelo guia de ondas em Y, dois feixes de luz que giram em direções opostas são formados no anel de fibra. Quando o portador gira em relação ao espaço inercial, há uma diferença de percurso óptico entre os dois feixes de luz, e o sinal de interferência óptica relacionado à velocidade angular de rotação pode ser detectado na extremidade do detector, permitindo medir a velocidade diagonal.
A expressão matemática do sinal de saída do giroscópio de fibra óptica é: F = Kω + B0 + V, onde F é a saída do giroscópio, K é o fator de escala e ω é a rotação do giroscópio.
A entrada de velocidade angular no eixo sensível, B0 é o viés zero giroscópico, υ é o termo de erro integrado, incluindo ruído branco e componentes de variação lenta causados por vários ruídos com longo tempo de correlação; υ também pode ser considerado como o erro de viés zero.
As fontes de erro de medição do giroscópio de fibra óptica incluem o erro de fator de escala e o erro de desvio zero. Atualmente, o erro de fator de escala do giroscópio de fibra óptica aplicado em engenharia é de 10⁻⁵ a 10⁻⁶. Na aplicação de detecção de deformação, a entrada de velocidade angular é pequena e o erro de medição causado pelo erro de fator de escala é muito menor do que o causado pelo erro de desvio zero, podendo ser ignorado. A componente CC do erro de polarização zero é caracterizada pela repetibilidade de polarização zero (Br), que é o desvio padrão do valor de polarização zero em múltiplos testes. A componente CA é caracterizada pela estabilidade de polarização zero (Bs), que é o desvio padrão do valor de saída do giroscópio em relação à sua média em um teste, e seu valor está relacionado ao tempo de amostragem do giroscópio.
Tomando como exemplo o modelo de viga apoiada simples, calcula-se o erro de detecção de deformação e estabelece-se o modelo teórico de deformação estrutural. Com base nisso, define-se o parâmetro de detecção.
Com base na velocidade de operação e no tempo de amostragem do sistema, é possível obter a velocidade angular teórica do giroscópio de fibra óptica. Em seguida, o erro de medição da velocidade angular do giroscópio de fibra óptica pode ser simulado de acordo com o modelo de erro de desvio zero do giroscópio de fibra óptica estabelecido anteriormente.
A configuração de simulação da velocidade de deslocamento e do tempo de amostragem adota um modo de variação de intervalo, ou seja, o ΔLi percorrido em cada tempo de amostragem é fixo, e o tempo de amostragem do mesmo segmento de linha é alterado pela variação da velocidade de deslocamento. Por exemplo, quando o ΔLi é 1 mm, digamos que a velocidade de deslocamento seja 2 m/s, o tempo de amostragem é 0,5 ms. Se a velocidade de operação for 0,1 m/s, o tempo de amostragem é 10 ms.
Primeiramente, analisa-se o efeito do erro de repetibilidade do viés zero. Quando não há erro de estabilidade do viés zero, o erro de medição da velocidade angular causado pelo erro de viés zero é fixo; por exemplo, quanto maior a velocidade de movimento, menor o tempo total de medição, menor o impacto do erro de viés zero e menor o erro de medição da deformação. Quando a velocidade de operação é alta, o erro de estabilidade do viés zero é o principal fator causador do erro de medição do sistema. Quando a velocidade de operação é baixa, o erro de repetibilidade do viés zero torna-se a principal fonte do erro de medição do sistema.
Utilizando um índice giroscópico de fibra óptica de média precisão típico, ou seja, estabilidade de polarização zero de 0,5 °/h com tempo de amostragem de 1 s e repetibilidade zero de 0,05 °/h, comparou-se os erros de medição do sistema nas velocidades de operação de 2 m/s, 1 m/s, 0,2 m/s, 0,1 m/s, 0,02 m/s, 0,01 m/s, 0,002 m/s e 0,001 m/s. A 2 m/s, o erro de medição foi de 8,514 μm (RMS); a 0,2 m/s, o erro foi de 34,089 μm (RMS); e a 0,002 m/s, o erro foi de 2246,222 μm (RMS). Como se pode observar nos resultados da comparação, quanto maior a velocidade de operação, menor o erro de medição. Considerando a facilidade de operação em engenharia, a velocidade de deslocamento de 2 m/s pode alcançar uma precisão de medição melhor que 10 μm.
Com base na análise de simulação da medição da deformação de estruturas de engenharia utilizando giroscópios de fibra óptica, foi estabelecido o modelo de erro do giroscópio e obtida a relação entre o erro de medição da deformação e o desempenho do giroscópio, utilizando como exemplo o modelo de viga apoiada simples. Os resultados da simulação mostram que quanto mais rápido o sistema opera, ou seja, quanto menor o tempo de amostragem do giroscópio de fibra óptica, maior a precisão da medição da deformação, mantendo-se constante o número de amostras e garantindo a precisão da detecção de distância. Com um índice típico de giroscópio de fibra óptica de média precisão e uma velocidade de operação de 2 m/s, foi possível alcançar uma precisão de medição de deformação melhor que 10 μm.
O giroscópio de fibra óptica GF-50 da Micro-Magic Inc. possui um diâmetro de φ50*36,5 mm e uma precisão de 0,1º/h. O GF-60, com precisão de 0,05º/h, pertence à categoria de giroscópios de fibra óptica de alta precisão. Nossa empresa produz giroscópios com tamanho reduzido, peso leve, baixo consumo de energia, inicialização rápida, operação simples e facilidade de uso, sendo amplamente utilizados em sistemas de navegação inercial (INS), unidades de medição inercial (IMU), sistemas de posicionamento, sistemas de localização do norte, estabilidade de plataformas e outras áreas. Se você estiver interessado em nossos giroscópios de fibra óptica, entre em contato conosco.
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